基于“微沙龍”的《操作系統(tǒng)》線上實(shí)踐教學(xué)案例設(shè)計(jì)
——以“同步互斥算法實(shí)現(xiàn)”實(shí)驗(yàn)為例

程 葳

(北京城市學(xué)院信息學(xué)部，北京 100083)

新冠疫情暴發(fā)使各高校線上教學(xué)成為常態(tài)，教師如何利用好先進(jìn)教學(xué)工具、創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)環(huán)境、營造良好學(xué)習(xí)氛圍，成為保障線上教學(xué)質(zhì)量的重要課題。“沙龍”是一種以各種話題進(jìn)行討論的集會(huì)活動(dòng)。之后該形式也被引入到現(xiàn)代高等教育中，如學(xué)術(shù)沙龍等。目前，部分網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)(如優(yōu)慕課)將這一形式作為隨堂教學(xué)的工具，為增進(jìn)線上教學(xué)過程中師生、生生互動(dòng)提供了新的可能。

《操作系統(tǒng)》課程是計(jì)算機(jī)類專業(yè)的必修課程，由于課程理論部分主要講授操作系統(tǒng)內(nèi)核知識(shí)，內(nèi)容抽象，不易理解，因此需結(jié)合實(shí)踐教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)學(xué)生分析解決復(fù)雜工程問題的能力。但是，線上實(shí)踐教學(xué)由于隔著屏幕，師生、生生互動(dòng)缺乏，授課效果難以保障。因此，針對(duì)教學(xué)中的實(shí)際痛點(diǎn)，引入恰當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)互動(dòng)工具，營造學(xué)生自主學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)驅(qū)力，促進(jìn)課程目標(biāo)的較好達(dá)成，就顯得十分必要。

一、《操作系統(tǒng)》線上實(shí)踐教學(xué)的主要問題

《操作系統(tǒng)》課程實(shí)踐主要以程序設(shè)計(jì)為主，教師需要通過不斷了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)狀況，監(jiān)督每位學(xué)生的完成進(jìn)度和完成效果，發(fā)現(xiàn)學(xué)生操作中的問題，并幫助解決。但是，在線上教學(xué)平臺(tái)中，上述過程的完成成本較高，很難達(dá)到以往線下的教學(xué)效果。主要問題表現(xiàn)為：

1.學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度差異遠(yuǎn)高于線下。由于線上教學(xué)無法保證每位同學(xué)的學(xué)習(xí)環(huán)境，大部分學(xué)生行動(dòng)比較懶散，完成實(shí)驗(yàn)的進(jìn)度明顯慢于線下。由此同學(xué)間能力差異也更為顯著。自律較好的學(xué)生進(jìn)度能夠和線下基本保持一致，但大部分學(xué)生會(huì)有不同程度的滯后。在這種情況下，如何在教學(xué)過程中兼顧每位同學(xué)是個(gè)較大的問題。

2.無法快速掌握全班同學(xué)的情況。線上教學(xué)的另一個(gè)難點(diǎn)是教師不可能同時(shí)監(jiān)控到每位學(xué)生的進(jìn)度。在線上教學(xué)，教師只能通過不停地詢問學(xué)生進(jìn)展情況，請(qǐng)求學(xué)生將實(shí)驗(yàn)截圖發(fā)給她，這種方式首先干擾到學(xué)生的實(shí)踐行為，不停地催促打斷了學(xué)生思考和解決問題的進(jìn)度，其次，占用大量課程時(shí)間和教師精力，教師往往只能看到積極同學(xué)的回應(yīng)，而對(duì)不積極同學(xué)容易忽略。

3.生生互動(dòng)受到很大限制。線下教學(xué)中，學(xué)生之間的相互學(xué)習(xí)與幫助對(duì)學(xué)生提升實(shí)踐技能、順利完成實(shí)驗(yàn)有非常重要的幫助。但是在遠(yuǎn)程教學(xué)環(huán)境中，生生互動(dòng)也受到很大限制，大部分學(xué)生產(chǎn)生問題后沒有方便的渠道與其他同學(xué)分享討論問題。少部分同學(xué)甚至可能直接拷貝源代碼執(zhí)行了事，由此降低了實(shí)踐教學(xué)的效果。

二、基于“沙龍”的線上實(shí)踐教學(xué)優(yōu)勢(shì)

線上直播教學(xué)是一種新形式，需要教師充分研究其特點(diǎn)，探索使用與之相適應(yīng)的教學(xué)工具和教學(xué)方法。由此，本著“以學(xué)生為中心”的思想，將網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)的“沙龍”工具引入《操作系統(tǒng)》實(shí)驗(yàn)課堂，探索在新形勢(shì)下的課程目標(biāo)達(dá)成方法。

這里的“沙龍”是指優(yōu)慕課等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)中的“沙龍”工具。教師可以在上課期間在手機(jī)端或電腦端隨時(shí)增加沙龍，也可以提前設(shè)置好，在上課時(shí)間隨時(shí)打開。其與普通“討論區(qū)”工具的類似之處在于學(xué)生可以在其中發(fā)表言論或上傳圖片，所有學(xué)生均可見，營造了一種良好的公共區(qū)域相互監(jiān)督效果，有效避免同學(xué)間的抄襲。但和“討論區(qū)”不同的地方在于，每位學(xué)生在一個(gè)沙龍中只能發(fā)言一次。因此通過查看發(fā)言數(shù)，教師就能及時(shí)了解到參與沙龍的學(xué)生人數(shù)。

將“沙龍”工具與騰訊會(huì)議直播空間相結(jié)合，教師可以及時(shí)對(duì)每位學(xué)生上傳的結(jié)果給予第一時(shí)間響應(yīng)，讓學(xué)生感覺老師是無時(shí)無刻關(guān)注他的。同時(shí)，對(duì)學(xué)生的點(diǎn)評(píng)也能被其他學(xué)生聽到。這樣通過對(duì)學(xué)生思路的閃光點(diǎn)給予表揚(yáng)與推薦，激發(fā)學(xué)生間思維互動(dòng)；通過及時(shí)指出問題，防止類似錯(cuò)誤再次發(fā)生。因此，“沙龍”改變了之前教師帶著學(xué)生做實(shí)驗(yàn)的模式，教師的注意力在關(guān)注學(xué)生作品和啟發(fā)學(xué)生思維，通過不斷的師生互動(dòng)、生生互動(dòng)最終走向正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。真正做到了學(xué)生主體、教師主導(dǎo)的課堂組織新模式，有效緩解上述線上實(shí)踐教學(xué)中的問題。

1.基于沙龍的生生互動(dòng)。沙龍模式對(duì)同學(xué)間相互借鑒成功思維很有幫助。在沙龍的組織過程中，教師的及時(shí)點(diǎn)評(píng)非常重要。教師及時(shí)發(fā)現(xiàn)學(xué)生中的思路閃光點(diǎn)，并推薦給其他同學(xué)，這樣有利于學(xué)生間思維的相互激發(fā)，產(chǎn)生更多、更好的答案。同時(shí)這一過程中也建立了公共區(qū)域的相互監(jiān)督效用，可以有效抑制“復(fù)制-粘貼”的抄襲行為。

2.基于沙龍的師生互動(dòng)。師生互動(dòng)是沙龍得以發(fā)揮效力的重要環(huán)節(jié)。教師在開啟沙龍的過程中，一定要不斷和學(xué)生互動(dòng)。一方面教師對(duì)每位學(xué)生的及時(shí)回應(yīng)可以有效激發(fā)學(xué)生的熱情和參與度；另一方面教師與學(xué)生的探討對(duì)其他學(xué)生也是良好的示范與督促。此外，沙龍的顆粒度也是設(shè)計(jì)中需要考慮的問題。如果一個(gè)沙龍的任務(wù)過大過難，學(xué)生需要較長時(shí)間才能完成和呈現(xiàn)結(jié)果，則教師也無法及時(shí)了解學(xué)生們遇到的問題。在程序設(shè)計(jì)的過程中，我們可以將程序的實(shí)現(xiàn)過程設(shè)計(jì)成一個(gè)不斷優(yōu)化和改進(jìn)的過程，以此設(shè)計(jì)若干個(gè)沙龍，從而讓師生真正互動(dòng)起來，引導(dǎo)學(xué)生在這一過程中進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)和創(chuàng)新等高階思維。

3.沙龍對(duì)學(xué)生間進(jìn)度差異問題的有效解決。在這里，承認(rèn)遠(yuǎn)程教學(xué)過程中勢(shì)必帶來學(xué)生完成實(shí)踐任務(wù)的差異度，關(guān)鍵問題是能夠讓各層次的學(xué)生都能感受到教師的指導(dǎo)，并能有所收獲。沙龍平臺(tái)為教師這一目標(biāo)的達(dá)成提供了有效支撐。教師通過隨時(shí)觀看沙龍發(fā)言學(xué)生人數(shù)，可以了解學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)度。在有一定數(shù)量學(xué)生完成任務(wù)的時(shí)候就可以開啟下一任務(wù)。因?yàn)樾律除埖拈_啟并不影響學(xué)生在以往沙龍中的發(fā)言。因此，學(xué)生可以按照自己的進(jìn)度逐一完成任務(wù)。教師通過不斷監(jiān)測(cè)，隨時(shí)查看各個(gè)沙龍的學(xué)生結(jié)果，對(duì)每位上傳結(jié)果的學(xué)生都給以第一時(shí)間回應(yīng)，雖然學(xué)生間進(jìn)度存在差異化，但教師仍能關(guān)注到每位學(xué)生。同時(shí)，學(xué)生也能看到自己的進(jìn)度處于班級(jí)什么水平，激勵(lì)學(xué)生盡快完成任務(wù)。

三、基于“微沙龍”的混合式實(shí)踐教學(xué)案例設(shè)計(jì)

通過以上討論可以發(fā)現(xiàn)，“沙龍”工具在實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用中的主要優(yōu)勢(shì)，是可以通過在一次課程中構(gòu)造多個(gè)顆粒度較小的“微沙龍”，滿足不同程度學(xué)生的學(xué)習(xí)需求。因此，將其應(yīng)用于混合式教學(xué)，可以形成“微沙龍+三段法”的新型教學(xué)模式。以《操作系統(tǒng)》課程為例，具體闡述其實(shí)施過程。

(一)教學(xué)目標(biāo)

圖1 “同步互斥算法實(shí)現(xiàn)”實(shí)驗(yàn)在《操作系統(tǒng)》課程中的位置與目標(biāo)

進(jìn)程管理是《操作系統(tǒng)》課程的重難點(diǎn)，特別是進(jìn)程間同步互斥問題，教材中只給出了問題的解決算法。為了提升學(xué)生的工程實(shí)踐能力，在算法講解之后可補(bǔ)充用多線程程序?qū)崿F(xiàn)算法的實(shí)驗(yàn)，以加深學(xué)生對(duì)并發(fā)、同步、互斥等操作系統(tǒng)核心概念的理解，同時(shí)鍛煉和提升學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用、問題分析、建模和算法實(shí)現(xiàn)等能力。但是該實(shí)驗(yàn)所需多線程編程知識(shí)，學(xué)生前期并沒有基礎(chǔ)，因此即使在線下教學(xué)，也面臨課程內(nèi)容多、難度大，不同層次學(xué)生的完成度不同等諸多問題。

“同步互斥算法實(shí)現(xiàn)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)共4學(xué)時(shí)。如圖1所示，其前面有理論教學(xué)，完成進(jìn)程同步與互斥等概念、以及基于信號(hào)量的同步互斥算法的學(xué)習(xí)。本次課程要求通過實(shí)驗(yàn)，應(yīng)用多線程程序，實(shí)現(xiàn)基于信號(hào)量的線程同步與互斥算法，驗(yàn)證操作系統(tǒng)相關(guān)結(jié)論，加深對(duì)進(jìn)程、線程、并發(fā)、同步、互斥、通信等知識(shí)的理解，掌握在Linux操作系統(tǒng)中進(jìn)行C程序設(shè)計(jì)的實(shí)踐技能。課程的教學(xué)目標(biāo)包括知識(shí)、技能和價(jià)值觀三個(gè)層面。

(二)基于三段法的混合式教學(xué)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述課程目標(biāo)，我們將原有課程中的兩大任務(wù)，拆分為若干小任務(wù)。然后根據(jù)各小任務(wù)的難度和重要性分成基礎(chǔ)、重難點(diǎn)和挑戰(zhàn)三個(gè)級(jí)別，分別放置在課前、課中、課后三個(gè)階段去完成。

混合式教學(xué)的好處是可以將課前和課后學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)間都充分利用起來。大部分實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容放在課前(難度較低部分)和課后(難度較高部分)，讓學(xué)生自行完成。而課中主要是對(duì)課前任務(wù)點(diǎn)評(píng)、重難點(diǎn)實(shí)踐案例講解和強(qiáng)化練習(xí)。如表1所示，一次教學(xué)過程學(xué)生需要完成兩次實(shí)驗(yàn)報(bào)告——課前實(shí)驗(yàn)報(bào)告和課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告，教師也需要批閱兩次實(shí)驗(yàn)報(bào)告。但是課前批閱實(shí)驗(yàn)報(bào)告，可全面掌握學(xué)生的問題和疑難點(diǎn)，使得課中寶貴時(shí)間更聚焦解決學(xué)生的實(shí)際問題。同時(shí)，課中實(shí)驗(yàn)可以直奔課程重點(diǎn)，保證課程目標(biāo)的全部達(dá)成。最后，提升能力和高階思維的實(shí)驗(yàn)放在課后完成，教師下次課程點(diǎn)評(píng)，使學(xué)生有更為充分的時(shí)間獨(dú)立思考，有助于提升思維的層次。

(三)基于“微沙龍”的課堂教學(xué)過程

具體課中教學(xué)包含以下五個(gè)環(huán)節(jié)。

1. 課程導(dǎo)入

明確課程學(xué)習(xí)目標(biāo)，針對(duì)課前實(shí)驗(yàn)中部分學(xué)生出現(xiàn)的提前進(jìn)程結(jié)束問題，回顧線程知識(shí)點(diǎn)，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)線程與進(jìn)程的區(qū)別。

2.作業(yè)點(diǎn)評(píng)

結(jié)合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，總結(jié)多線程程序設(shè)計(jì)的經(jīng)典結(jié)構(gòu)，解決課前實(shí)驗(yàn)報(bào)告中第一大題(實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書提供代碼)中的主要問題。然后重點(diǎn)講解課前實(shí)驗(yàn)報(bào)告中第二大題(需要學(xué)生自行編寫代碼)的正確實(shí)現(xiàn)方法。結(jié)合兩位同學(xué)的解題過程和代碼，講解其中的優(yōu)點(diǎn)和問題。

3.多線程編程的高階用法

以兩個(gè)微沙龍組織教學(xué)，在課前作業(yè)的基礎(chǔ)上提升問題解決的難度。

表1 混合式教學(xué)“三段式”教學(xué)設(shè)計(jì)

圖2 “微沙龍”的行程

【微沙龍1】傳參線程。

練習(xí)向線程中傳遞參數(shù)的基本方法。本沙龍僅需建立一個(gè)子線程。重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)線程創(chuàng)建、分離、銷毀全過程的掌握情況，同時(shí)培養(yǎng)參數(shù)傳遞小技能。

【微沙龍2】創(chuàng)建多線程。

練習(xí)利用線程數(shù)組創(chuàng)建多個(gè)線程。

本例在沙龍1代碼的基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。重點(diǎn)讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)線程并發(fā)有更為深入的理解，為后續(xù)多線程互斥程序開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

4.基于信號(hào)量的同步互斥問題解決

同樣以兩個(gè)微沙龍組織教學(xué)，每個(gè)沙龍均包括算法復(fù)習(xí)、算法實(shí)現(xiàn)示例教學(xué)和沙龍任務(wù)三個(gè)部分。

【微沙龍3】基于信號(hào)量的互斥問題

本例重點(diǎn)讓學(xué)生練習(xí)信號(hào)量基本函數(shù)的使用方法。在講解對(duì)臨界資源管理過程中，引入思政元素，引導(dǎo)學(xué)生思考平時(shí)生活中的平等、公正和友善等社會(huì)主義核心價(jià)值觀。

【微沙龍4】基于信號(hào)量的同步問題

本例重點(diǎn)讓學(xué)生練習(xí)如何用信號(hào)量解決同步問題。由于同步和互斥在算法實(shí)現(xiàn)上是類似的，所以原設(shè)計(jì)為課后拓展提高內(nèi)容，放在課上主要提供給進(jìn)度較快的同學(xué)。

5.課程總結(jié)

總結(jié)課程重要知識(shí)點(diǎn)，布置課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告。共分為四個(gè)部分。第一部分為課上實(shí)驗(yàn)記錄，以此檢查學(xué)生課上實(shí)驗(yàn)完成情況，并督促課上工作較慢同學(xué)課后完成剩余的實(shí)驗(yàn)；第二部分基礎(chǔ)練習(xí)，是實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中未能在課堂上完成的練習(xí)內(nèi)容，均具有一定難度，如果學(xué)生能夠在完成過程中認(rèn)真思考，對(duì)后面完成挑戰(zhàn)題具有較大幫助；第三部分課后練習(xí)，是課堂練習(xí)的變形和深化，難度與課堂練習(xí)基本相當(dāng)，學(xué)生課堂練習(xí)完成度較好的情況可以順利完成本部分；第四部分挑戰(zhàn)練習(xí)是二選一，均為復(fù)雜的同步互斥問題，具有一定難度，有助于幫助學(xué)生提升思維能力，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

四、教學(xué)效果與反思

圖3給出了上述教學(xué)過程各階段時(shí)間分布的肯特圖，從中可以看出，教師根據(jù)學(xué)生完成情況，逐步打開沙龍。這樣，進(jìn)度較快的同學(xué)不必等待，可以繼續(xù)完成下一任務(wù)；而進(jìn)度較慢的同學(xué)仍舊可以在以往沙龍中提交結(jié)果。從學(xué)生視角，沙龍是根據(jù)其學(xué)習(xí)進(jìn)度依次展開的，營造了一種類似于自我學(xué)習(xí)的個(gè)性化場(chǎng)景。而進(jìn)度慢的學(xué)生可以在這一過程中，可以感受到來自班級(jí)適度緊張的學(xué)習(xí)氛圍。從教師視角，可以同時(shí)監(jiān)控多個(gè)沙龍的學(xué)生進(jìn)展，對(duì)每位上傳結(jié)果的學(xué)生都給予回應(yīng)。這樣，雖然學(xué)生間進(jìn)度存在差異，但教師仍能方便地關(guān)注和指導(dǎo)到每位學(xué)生。

圖3 教學(xué)過程各階段的肯特圖

表2給出了課后對(duì)案例中各“微沙龍”的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。針對(duì)性較強(qiáng)的沙龍，學(xué)生的完成度也較好。微沙龍1持續(xù)的時(shí)間最長，說明遠(yuǎn)程狀態(tài)下帶動(dòng)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)，確實(shí)是一件非常困難的事情。這也啟發(fā)我未來需要更深入研究沙龍的顆粒度和首個(gè)沙龍的難度。可喜的是，微沙龍2的效果較好，說明系列微沙龍的逐步啟動(dòng)對(duì)班級(jí)學(xué)生造成了一定的緊張氛圍，激發(fā)了行動(dòng)遲緩的學(xué)生，同時(shí)也使動(dòng)作較迅速同學(xué)更樂于完成任務(wù)，開啟下一微沙龍。對(duì)于完成度不好的微沙龍3和微沙龍4，本案例通過重新調(diào)整和設(shè)計(jì)課后實(shí)驗(yàn)報(bào)告予以強(qiáng)化。

表2 微沙龍統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

本次課程采用的線上線下混合式三段設(shè)計(jì)和微沙龍式課堂實(shí)踐教學(xué)，使得91%的學(xué)生進(jìn)行了課前預(yù)習(xí)并完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，87%的學(xué)生參與課上實(shí)踐過程并至少完成1個(gè)案例的實(shí)現(xiàn)。教師能夠及時(shí)掌握班級(jí)整體實(shí)驗(yàn)完成情況，督促學(xué)生跟上實(shí)驗(yàn)進(jìn)度，也為部分反應(yīng)較慢學(xué)生留出了一定的自由空間。教師能夠及時(shí)掌握學(xué)生作業(yè)完成情況，對(duì)學(xué)生作業(yè)給予及時(shí)的點(diǎn)評(píng)。同時(shí)，學(xué)生之間也可以相互了解進(jìn)度和實(shí)驗(yàn)情況，有利于自我督促和改進(jìn)問題，提升了遠(yuǎn)程實(shí)踐練習(xí)的質(zhì)量和效率。此外，本次課程的課后作業(yè)還采用師生互評(píng)方式，98%的學(xué)生參與本次互評(píng)，提升學(xué)生課堂參與的主人翁意識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)了同學(xué)之間的團(tuán)隊(duì)意識(shí)和友善互助的社會(huì)主義核心價(jià)值觀。

關(guān)于本次案例教學(xué)的總結(jié)與反思有以下幾點(diǎn)：

1.課程將部分基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)放在課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)作業(yè)中，可以使教師在上課前有的放矢地準(zhǔn)備教案，特別是對(duì)必要的理論知識(shí)給予復(fù)習(xí)，實(shí)驗(yàn)技能講解更具有針對(duì)性，能夠在課程中進(jìn)行高階思維能力的培養(yǎng)與訓(xùn)練。

2.課程采用微沙龍式實(shí)踐教學(xué)模式，是對(duì)線上實(shí)踐教學(xué)的一種有益探索。微沙龍可以使教師及時(shí)了解學(xué)生練習(xí)情況。比如本次教學(xué)，第1個(gè)沙龍任務(wù)完成時(shí)間較長，因?yàn)橄喈?dāng)一部分學(xué)生沒有做好課上實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備，因此教師在這個(gè)過程中給予了一定的引導(dǎo)和鼓勵(lì)，鼓勵(lì)學(xué)生可以將有問題的實(shí)驗(yàn)結(jié)果放在聊天區(qū)，幫助這部分同學(xué)解決問題。之后在沙龍中出現(xiàn)第一個(gè)結(jié)果后，很快就有同學(xué)上傳結(jié)果。目前沙龍還不支持顯示未提交答案的學(xué)生名單，如果能有該功能，就可以及時(shí)提醒未交答案的同學(xué)。

3.微沙龍的優(yōu)勢(shì)在于可以使同學(xué)間相互查看過程和進(jìn)度，同時(shí)也避免了抄襲現(xiàn)象。但是也看到當(dāng)前學(xué)生具有較強(qiáng)自尊心，因此部分出現(xiàn)錯(cuò)誤的學(xué)生往往會(huì)撤銷自己的作答。

4.沙龍的顆粒度設(shè)置是未來需要重點(diǎn)研究的問題。本次課程沙龍顆粒度較粗，造成進(jìn)展明顯緩慢。特別是第一個(gè)沙龍的完成耽誤了大量時(shí)間，未來還需要進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。